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Altera公司的ACEX、FLEX等系列的FPGA芯片應用廣泛，但其FPGA基于SRAM結構，決定電路邏輯功能的編程數據存儲于SRAM中。由于SRAM的易失性，每次上電時必須重新把編程數據裝載到SRAM中，這一過程就是FPGA的配置過程。FPGA的配置分為主動式和被動式。在主動模式下，FPGA上電后主動將配置數據從專用的EPROM(如EPC1，EPC2等)加載到SRAM中。被動模式下，FPGA為從屬器件，由相應的控制電路或微處理器控制配置過程，包括通過下載電纜由計算機控制配置和單片機模擬配置時序配置。其中，專用的EPROM價格高，可編程次數少，而計算機配置在現場應用中又很不現實，因此本文提出一種基于AVR單片機的被動配置方式。由于AVR系列單片機的內嵌閃存的容量為8～128kB，可容納中小規模(10萬門以下)FPGA的配置文件并進行配置，另外還可實現多任務配置。以下將以FLEX10K10為例，介紹單片機對FPGA的雙任務配置。 ATmega系列單片機 ATMEL公司的ATmega系列單片機根據片內閃存的大小分為ATmega8、ATmega32、ATmega128等。本設計采用的是ATmega32，該單片機片內含16K×16共32KB的片內可編程ROM，可擦寫10 000次，能裝載2萬門以內FPGA的配置數據，最高性能可達16MIPS，可在最短的時間內完成FPGA的配置。如需要配置門數更高的FPGA，可采用MEGA128。 硬件電路設計 ATmega32內含32KB的閃存，FPGA為FLEX10K10，其配置文件的大小為15KB，因此該方案可實現雙任務配置。硬件連接上，采用單片機配置模式時，須將FLEX10K10的MESL0、MESL1、nCE接地，同時將nCONFIG、DCLK、DATA0、nSTATUS、CONF_DONE分別與MEGA32的PA0～PA4相連。MEGA32的I/O口均是可編程的，根據需要將PA0、PA1、PA2設置為輸出口，PA3、PA4設置為輸入口。另外，需在單片機的PB0、PB1上連接兩個按鍵以選擇配置任務。具體電路如圖1所示。 圖1 硬件原理框圖 配置方式 Altera公司FPGA器件的配置方式主要有AS(主動串行方式)、PS(被動串行方式)、PPS(被動并行同步方式)、PPA(被動并行方式)和JTAG(邊界掃描方式)，使用單片機對FPGA進行配置主要是采用單片機來模擬PS方式的時序，以實現FPGA器件的配置。 被動串行方式的工作過程如下：配置時需要五個引腳，其中nCONFIG、DCLK、DATA0為單片機的輸出引腳，nSTATUS、CONF_DONE為單片機的輸入引腳。系統上電后，由單片機使nCONFIG上產生一個大于8μs的負脈沖，FPGA檢測到nCONFIG的下降沿后將啟動配置過程，nSTATUS和CONF_DONE隨之拉低。nCONFIG抬高1μs內，nSTATUS抬高，配置數據從DATA0上由低位到高位依次送出，當所有配置數據全部送出后，CONF_DONE被抬高，當MCU檢測到這一變化后即結束配置過程。隨后，DCLK必須再提供幾個周期的時鐘(對于FLEX10K需要10個周期)以供FPGA正確完成初始化，進入用戶模式。若配置過程出錯，nSTATUS將被拉低，MCU重新啟動配置過程。其配置時序如圖2所示。 圖2 被動串行配置時序圖 配置文件 Altera公司的開發工具Quartus II和MAXPlus II可生成多種配置文件，包括sof、pof、hex、rbf、ttf等。該配置方案中采用的是rbf文件，rbf文件為二進制文件，包含了全部配置數據，1字節的rbf數據包含8bit的配置數據，配置時最低位先由低位到高位依次裝入。 軟件設計 使用單片機對FPGA的設計關鍵是軟件設計。在雙任務配置中，兩個任務的配置數據分別存放于不同起始地址的連續存儲器區域中。單片機上電復位后，進入按鍵查詢狀態，檢測到按鍵按下后，單片機從相應起始地址中讀出數據并對FPGA進行配置。配置過程按照PS方式的時序要求進行，配置完成后重新進入按鍵查詢狀態。控制程序流程圖如圖3所示。 圖3 控制程序流程圖 在雙任務配置中，兩個任務的配置數據分別存放于指定的地址中，由引導程序從指定地址中讀出數據并對FPGA進行配置。引導程序和rbf文件(配置數據)的合并是軟件設計的關鍵，以下詳述其處理過程。 (1) 將引導程序在ICCAVR下編譯并生成mcu.hex，hex文件格式是由Intel公司定義的，是按地址排列的數據信息，數據寬度為字節，所有數據使用16進制數字表示. 以下是一個例子。 :10008000AF5 F67F0602703E0322CFA92007780C361 :1000900089001C6B7EA7CA9200 FE10D2AA00477D81 :0B00A00080FA92006F3600 C3A00076CB :00000001FF 第一行，“:”符號表明記錄的開始。后面的兩個字符表明記錄的長度，這里是10h。后面的四個字符給出調入的地址，這里是0080h。后面的兩個字符表明記錄的類型后面則是真正的數據記錄, 最后兩位是校驗和檢查，最后一行是結束串，總寫成這樣； (2)將fpga1.rbf改為fpga1.bin，使用“超級單片機工具”將fpga1.bin轉換成起始地址為0x0273(mcu.hex的數據長度)的fpga1.hex； (3)將fpga2.rbf改為fpga1.bin，使用“超級單片機工具”將fpga2.bin轉換成起始地址為0x3bd7(mcu.hex和fpga1.hex的數據長度和)的fpga2.hex； (4)將刪除結束串后的mcu.hex和fpga1.hex與fpga2.hex依次合并成config.hex； (5)將config.hex用下載線下載到ATmega32單片機中。 結論 以上方案可適用于3.3V和5V系統的FPGA配置，無須擴展EEPROM，還能實現多任務配置。 |
